材料成型原理课程.pptx

凝固：物质从液态转变成固态的相变过程。
凝固现象的广泛性——金属、塑料、陶瓷等 主要研究对象——液体金属
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水凝结成雪花晶体 ——为什么生长的形态不f thermoplastic Injection molding machine
塑料注射成形后的凝固 ——是晶体还是非晶体？
定向柱状晶 单晶体
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水轮机转轮直径10m，净重438吨。
若不采用液态凝固成形，其他工艺难以实现制造。
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古代
手工 经验 想像设计 小规模
现代
机械化 科学（全方位透视） 计算机模拟，CAD/CAM 大工业生产及应用
通过凝固控制的液态成形仍是现代制造的 主要成形方法
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4、本课程的重要性 5、本课程的要求
战国时代的“冰箱”— —曾侯乙冰鉴
夹层芯子——如何防止 裂纹产生？
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北京永乐大钟 声传十里的奥秘与凝固
组织有关？
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汽车的心脏—现—代发动工机业生产铝缸的合套机金复器缸合与体材零—料件—剖开显示
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汽车用转向器阀体——高压精密压铸成形
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飞机发动机叶片——尖端技术定向结晶的产物
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等轴晶
吴树森第一篇液态成形理论基础theoreticalfundamentalsofliquidmetalsforming2q绪论introduction熔化浇注工部熔化工部造型工部冲天炉工频炉放置型芯铸件液态成形铸造生产的主要过程铸铁3造型浇注落砂铸件工艺浇包砂箱浇口粘土砂模型落砂工部自动造型生产线凝固冷却砂砂芯芯铝合金镁合金的压铸成形生产过程4这些生产过程中的核心问题是凝固过程所生成的组织或缺陷对最终性能的影响1凝固的研究对象凝固
（1）听课（作笔记） （2）习题 （3）实验课、报告 ( ? ? ) （4）考试 （5）对教材、内容提出意见和建议

02
工程材料
金属材料
定义
金属材料是指以金属元素或以 金属元素为主构成的具有金属
特性的材料的统称。
分类
黑色金属、有色金属、特种金属 。
特点
高强度、高硬度、良好的塑性和韧 性。
非金属材料
01
02
03
定义
非金属材料是以非金属元 素或非金属元素为主构成 的具有非金属特性的材料 的统称。
分类
塑料、橡胶、陶瓷、玻璃 等。
工程材料与成型工艺的发展趋势
发展趋势
随着科技的不断发展，工程材料与成型工艺也在不断进步。新型工程材料的 不断涌现，成型工艺的不断创新，使得工程材料与成型工艺在未来的应用中 更加广泛和高效。
未来展望
未来，工程材料与成型工艺将会朝着更加高效、节能、环保、可持续发展的 方向发展。同时，随着工业4.0的到来，工程材料与成型工艺将会更加智能化 、自动化、数字化。
03
在满足性能要求的前提下，优先选择成本低、来源广泛、易于
加工的材料，同时考虑材料对环境的影响。
成型工艺选择的原则和方法
符合材料特性
满足使用要求
选择与材料特性相匹配的成型工艺，如塑料 材料宜采用注射成型工艺。
根据产品形状、尺寸和性能要求选择合适的 成型工艺。
考虑生产批量
考虑经济效益
生产批量不同，所需的设备和工艺也不同， 应根据实际情况选择最经济的生产方法。
案例二：航空航天中的材料与工艺应用
总结词
航空航天领域对材料和工艺的要求极为苛刻，需要克服高强度、高温、腐蚀等多种复杂条件。
详细描述
航空航天领域需要使用各种高性能材料，如钛合金、高温合金、复合材料等，以及各种先进成型工艺，如真空 吸铸、粉末冶金、3D打印等。在航空航天领域，材料和工艺的选择和优化直接影响到飞行器的性能、安全和 可靠性，因此需要加强研究和技术创新。

镇静钢、沸腾钢
Fe-S相图
共晶照片
3 磷的影响

矿石和生铁带入，它固溶于铁中。危害是冷脆时剧烈 降低钢的韧性，尤其是低温韧性。
4 氮的影响
氮的有害作用主要是通过淬火时效和应变时效造 成的。
淬火后，长期放置或稍加热，氮以氮化铁形式析 出，使钢的强度、硬度升高，塑性韧性下降，使钢变 脆，这种现象叫做淬火时效。 含氮的低碳钢材经塑性变形后，性能也将随时间 变化，即强度、硬度升高，塑性、韧性明显下降，这 种现象称为应变时效。

5 氢的影响
6 氧及其它非金属夹杂物的影响
非金属夹杂物破坏了钢的基体的连续性，在 静载荷和动载荷的作用下，往往成为裂纹的起点， 特别是降低塑韧性。
二 钢锭的组织放出一氧化碳的程度，可 将钢锭分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢三类。 1 镇静钢：钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝进行充 分脱氧，使所含氧不超过0.01%，以使钢液在凝固时 不析出一氧化碳，得到成分比较均匀、组织比较致密 的钢锭，这种钢叫做镇静钢。 镇静钢的宏观组织与纯金属铸锭基本相同，也是由表 层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区所组成。 镇静钢锭的缺陷主要是缩孔、缩松、偏析、气泡等。 2 沸腾钢：脱氧不完全的钢。含氧量在0.03—— 0.07%。
5 氢的影响
来源是锈蚀含水的炉料或水蒸气。危害很大。

一是引起氢脆，即在低于钢材强度极限的应力作用下， 经一定的时间后，在无任何预兆的情况下突然断裂。 钢的强度越高，对氢脆的敏感性往往越大。 二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷——白点， 在钢材纵断面上呈光滑的银白色的斑点，在酸洗后的 横断面上则呈较多的发丝状裂纹，如图4.26。白点使 钢材的延伸率显著下降，主要发生在合金钢中。

（1） 常摩擦系数区接触表面压应力分布曲线方程
{ f f z
d r 2 f z 0
dr
h
d r d z 0
z
z
a
f
zr r
ho
r
d z 2 f z 0
dr
h
在边界点，r=R时，σr=0,
2 f r
z Ce h
rz=0 ; 由剪应力互等，
yx x ho
ppt课件
l/2
3
x
3
假设
正应力在y轴方向上均匀分布
剪应力在y轴方向上呈线性分布
x d x
x dx
yx 2 f
y h
d x 2 f 0
dx h
从变形体上截取分离体 d x h 2 f dx 0
z
f
同理，圆柱体镦粗时r 方向力平衡 微分方程简化为
0
2

1
Tx

2
kDdD
tan
同理
dN


n
dx
f k
f f z
2 f (Rr)
zh se h
rb
R
zn

s

2 s
3h
(R r)
r rb
f

f zb
k, zb

s
3f
zn
s
3f

2 s
3h
(rb

r)
ppt课件
常 常摩
摩 擦 系 数 区
摩 擦 应 力 区
擦 应 力 递 减 区
多媒体课件
材料成形力学

切削加工方 法
机械零件 结构工艺性
机械加工 工艺过程
车削加工；钻、扩、铰、镗削加工； 刨、拉削加工；铣削加工；磨削加 工；特种加工方法；零件加工表面 方法的选择 。
零件结构设计的基本原则、切削加 工对零件结构工艺性的要求。
机械加工工艺过程的基本概念、工 件的安装与夹具的基本知识；机械 加工工艺规程的制定，典型零件工 艺过程。
课程教学 改革思路
结合地方工科高校培养应用型高级 专门人才目标和社会需求，紧紧抓 住课程内容广、实践性强、授课学 生多的课程特征，以拓宽基础知识、 优化教学内容为核心，以教学方法、 教学手段改革为抓手，“产学研” 合作强化学生工程实践和创新精神 培养，构建完备的课程教学体系， 形成覆盖面广、灵活的教学模式， 积极开展教育教学改革与实践，全 面提高课程教学质量。
初期建设阶段（1959～1977年） 恢复建设阶段（1978～1988年） 稳定发展阶段（1989～1999年） 高速发展阶段（2000年至今）
2.课程建设
教学内容
金属冷、热加工方法 金属冷、热加工方法+工程材料 金属冷、热加工方法+工程材料 +金属成形的新技术、新工艺
教学手段
黑板+粉笔+挂图 黑板+粉笔+幻灯片 黑板+粉笔+多媒体 多媒体+网络课堂
建造了内容丰富、形象生动的课 程陈列室。
以省级实验教学示范中心、工程 训练中心为基础搭建了学生工程 实践平台，强化学生基础工程实 践能力培养
以省部级重点实验室为依托，与 大型企业、科研院所密切合作建 立学生创新基地，搭建学生创新 实践平台，以课外科技制作竞赛 为途径进行创新精神培养。
四、教学设计

1.微型计算机可以储存有关生产技的操作程序、焊接程序、焊接参数调整程序 等。 2.微型计算机从焊接执行情况与参数中提 取信息，而后在微型计算机中进行对比， 再通过数字－模拟转换器控制电源、送 丝机构、气流阀、伺服机构等及时反馈， 调整操作与参数，从而确保焊接质量。 3.输出装置中还可以设有电视监视、打印、 录像等，以便记录质量情况，指示监测 结果。
扩散焊是将工件在高温下加压，但不产生 可见变形和相对移动的固态焊接方法。 它能焊接同种和异种金属材料，特 别是不适于熔焊的材料，还可用于金属 与非金属问的焊接，能用小件拼成力学 性能均一和形状复杂的大件，以代替整 体锻造和机械加工。
爆炸焊是利用炸药爆炸产生的冲击力造成 焊件的迅速碰撞，实现连接焊件的一种 压焊方法。 国外已用爆炸方法复合了近300种复合 板材。 美国“阿波罗”登月宇宙飞船的燃料 箱用钛板制成，它与不锈钢管的联结采 用了爆炸焊方法。日本利用爆炸焊方法 维修舰船，给磨损的水下机件重新加上 不锈钢。
在一般情况下，当我们把两个金属构 件放在一起时：①由于物体表面的粗糙 度，即使是精密磨削加工的金属表面其 粗糙度仍有几微米到几十微米（1µm＝ 10m﹥﹥1Å；②表面存在的其他氧化物 及其它污染物阻碍着实际金属表面原子 之间接近到晶格距离并形成结合力，故： 焊接的本质：通过适当的物理化学过程 克服这两个困难，使两个分离表面的原 子之间接近到晶格距离并形成结合力。 即：
4．焊接方法的用途
在现代材料加工技术中，焊接是一种 不可替代的加工工艺方法，据统计，在 世界发达国家使用的全部金属结构中， 约有45％是采用焊接方法加工制作的。 近年来，随着空间技术的发展，一些新 开发的高合金材料，如铝合金、Al－Li 合金、钛合金、特种金属陶瓷以及运载 火箭需要的各种耐蚀耐热材料、核动力 装置需要的钛－不锈钢、锆合金等的相 继使用，都给焊接技术提供了广泛的发 展空间，故：焊接这种材料成型方法几 乎渗透到工业、民用业、建筑业等大多 数行业中。

S—横截面积（mm2）
（3）举例：弹性元件、钟表发条、炮筒等设计时 应按此校核。
2.刚度 1）定义：材料抵抗弹性变形的能力，取决于金属
材料的内部结构和温度、合金比及热处理等。 例如钢与铸铁在20℃温度时，E=200GMPa， 当20℃→450℃，E值下降20℅.
2）试验及判定依据
（1）试验：同拉伸试验，是拉伸曲线中的oe斜 率。
6.装配：
将零件按产品图样分类组合连接， 经选配、组装、调整、检测、试验等 过程构成满足功能要求的产品。
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三、材料成形的基本要素及流动过程 1.基本要素
材料：构成实体 能量：形态的能 改的 变改 、变 性 信息：产品的施 控方 制(工 法 及艺 实信)息
2.流动过程：
1）物质流：原材料的流动和转变的过程。
（2）判定依据： 、s b
注：有许多材料在拉伸时没有明显的屈服
现象，有时也规定试样产生0.2℅残余应 变时的应力来判定。
（3）举例：主轴、齿轮等。
4.塑性
1）定义：断裂前材料发生不可逆的、永久 变形的能力。
2）试验与判定依据
（1）试验：同拉伸试验，考查的是试件的 伸长的相对量和截面积变化的相对量。
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（2）判定依据： 、 ；
L L0 ×100℅,
L
S0 S1 ×100℅
S0
（3）举例：切削参数的选择，如锻造比等。
注：① 、 越大则塑性越好，强度、硬度
越低；
② 一般不用于工程设计中；
③一般用于塑性加工参数的选择；良好 的塑性是塑性加工的必要条件，提高零 2020/件9/19 的可靠性，防止使用中的突然断裂。 17
3.性能：物理性能、化学性能、力学性能、 加工成型性能。

O2 2O
电弧中 40~60% CO2 分解
CO2 Fe FeO+CO 2CO2 Si SiO2 + 2CO CO2 Mn MnO+CO
反应在低于金属熔点（1500℃）下进 行，次 要的氧 化反应
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Fe+O FeO Si + 2O SiO2 Mn+O MnO C +O CO
①
回路电阻增大，电流下降，熔深减小
②
电阻热增大，焊丝熔化加快
③
保护效果差
④
焊丝易过热，成段爆断
➢ 飞溅堵塞喷嘴
焊丝伸出长度过小
一般 ls=10~12d 10~20mm
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5）保护气流量
小规范 Q=5~15L/min 中规范 Q=20L/min 大规范 Q=25~50L/min
(短路过渡） (颗粒过渡） （自动焊）
3）焊丝伸出长度
过长，飞溅增加 过短，飞溅堵塞喷嘴
合适长度10～12倍焊丝直径
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2、颗粒过渡焊接时在CO2中加入Ar气
电弧性能改变，飞溅明显减少。
3、短路过渡时限制金属小桥爆断能量
串电抗器 电流切换 电流波形控制
4、采用低飞溅率焊丝 1）实芯焊丝
降低C含量，增加合金因素Al、Ti，飞 溅下降
➢
送丝系统要求两对主动送丝滚轮（压 力不可 过大）
➢
目前有无缝药芯（解决吸潮问题、表 面可镀 铜，解 决锈蚀 问题）
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§4 CO2焊飞溅问题
一、CO2焊产生飞溅的原因
1、由于CO2导热系数大，且高温分解 吸热， 电弧收 缩，E高。 2、CO2气氛氧化性强，在熔池表面和 溶滴上 发生下 列反应

合肥工业大学 考研 材料成型基本原理课件 12.ppt
第12章 金属塑性成形的 物理基础
材料成形力学原理研究的对： 金属塑性成形
第一节 绪 论
塑性：
材料在外力的作用下产生一定的永久变形而 不破坏其完整性的能力。
塑性成形：
材料成形的基本方法之一，它是利用材料的 塑性，在外力作用下获得所需尺寸和形状的工 件的一种加工方法，又称为塑性加工。
第二节 金属在冷态下的塑性变形
一、金属的晶体结构和组织
合金：由两种或两种以上的金属构成，按组织特征分为单相 合金（以基体金属为基的单相固溶体组织）和多相合金（ 除基体外，还有第二相）。
多晶体：由许多大小、形状和位向都不同的晶粒组成，晶粒 之间存在晶界 。变形的不均匀性和各晶粒变形的相互协调 性是其变形的主要特点。
• 掌握应力、应变、应力应变关系和屈服准则等 塑性理论基础知识，以便对变形过程进行应力 应变分析，并寻找塑性变形物体的应力应变分 布规律；
• 掌握塑性成形时的金属流动规律和变形特点， 分析影响金属塑性流动的各种因素，以合理地 确定坯料尺寸和成形工序，使工件顺利成形；
• 掌握塑性成形力学问题的各种解法及其在具体 工艺中的应用，以便确定变形体中的应力应变 分布规律和所需的变形力和功，为选择成形设 备和设计模具提供依据。
低温回复（0.1～0.3）Tm时，回复的主要机理是点缺陷运 动和互相结合，使点缺陷的浓度下降。
中温回复（0.3～0.5）Tm时，位错发团内部位错重新组合 和调整、位错运动和异号位错互毁，导致位错发团厚度变薄 ，位错网络清晰，晶界位错密度下降，亚晶缓慢长大。
高温回复发生时（T>0.5Tm），发生位错攀移，亚晶合并和 多边形化现象。
其次，由一个晶粒到另一个晶粒的位向有突变，即晶界 处晶粒的结构是不连续的，因此，晶界处各晶粒相互 制约晶界变形困难。

第十七页，编辑于星期二：三点 二十一分。
第一页，编辑于星期二：三点 二十一分。
第二页，编辑于星期二：三点 二十一分。
第三页，编辑于星期二：三点 二十一分。
第四页，编辑于星期二：三点 二十一分。
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第八页，编辑于星期二，编辑于星期二：三点 二十一分。
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第十三页，编辑于星期二：三点 二十一分。
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准备铸型（造型）→将熔融金属浇入铸型 （浇注）→凝固成形→落砂清理→铸件
2.铸件 铸造成形所得的毛坯或零件。 3.生产特点 （1）成形方便——液体的形状 = 容器的形状 （2）适应性强 （3）成本较低 （4）力学性能特别是冲击性能较低。
天坛大佛
4.应用场合 （1）形状复杂，特别是具有复杂内腔的毛坯或零件，
（2）影响充型能力的因素: 1）合金的流动性
对充型能力影响最大，一般说来，流动性好的合 金充型能力较强； 2）工艺条件的影响 ①浇注温度 浇注温度高，充型能力增强 ②铸型的影响 3）铸件结构 4）其它方面
（二）合金的收缩性
1.收缩的概念 合金熔液在型腔内凝固和冷却的过程中，所发
生的体积缩小的现象。收缩性是合金的重要铸造 性能之一，它与铸件的缩孔、缩松、裂纹、变形 等铸造缺陷密切相关。 合金的收缩过程可分为如下三个阶段： ①液态收缩 ②凝固收缩 ③固态收缩
1．金属（合金）的流动性 （1）流动性概念：指熔融金属的流动能力，
是金属的主要铸造性能之一，也是影响充 型能力的主要因素之一，是金属本身固有 的属性。
（2）衡量指标：常用“螺旋形试样”长度来 衡量。
图1-1螺旋形流动性试样 1-模样 2-浇口杯 3-出气口 4-试样凸点
3）影响流动性的因素 1）合金的种类：灰铸铁的流动性最好，铸钢
如发动机机体和缸盖等。
（2）尺寸大、重量大的零件，如重型机械零件、机 床床身等。
（3）力学性能要求不高，或主要承受压应力作用的 零件，如各种底座、支架。
（4）特殊性能要求的零件，如内燃机主轴瓦为用嵌 铸生产的双金属件。
5．铸造方法（液态成型方法）： 砂型铸造：应用最广泛的铸造方法； 特种铸造：金属型铸造；压力铸造；离心铸

2）使用现代高新技术改善传统加工过程 ： 如研究金属加工过程的过程控制和工艺优 化 ,这一方面有助于压力加工过程的自动化 和现代化 ,同时也有助于充分提高金属材料 的成形极限
内蒙古科技大学 材料与冶金学院 金自力
3）理论与生产实践的结合日渐 紧密 ,现代塑性加工理论与材料 科学进展用于材料加工生产 ,材 料学理论、力学理论和实际加工 生产技术的界限逐渐消失 。
凹模
冲压设备
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剪床
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辊轧成形
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几种辊轧图示
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辊锻机
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铸造成形
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具间变形。
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锻压
自由锻成形过程的流程
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自由锻原理
上砥铁 下砥铁
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内蒙古科技大学 材料与冶金学院 金自力
压力加工锻造设备欣赏
空气锤
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自由锻作业进行曲
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数控锻造的发展
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大制造环境下的压力加工自动线
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万吨水压机
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工作中的水压机
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冲床
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12. 何谓结晶过程中的溶质再分配?它是否仅由平衡分配系数k0所 决定?当相图上的液相线和固相线皆为直线时，试证明k0为一常数。
• 结晶过程中的溶质再分配：是指在结晶过程中溶质在液、固 两相重新分布的现象。
• 溶质再分配不仅由平衡分配系数k0决定 ，还受自身扩散性质 的制约，液相中的对流强弱等因素也将影响溶质再分配。
• 第三种情况，通过在液相中造成很大的微区富集而迫使结晶相提前 弥散析出而生核。
（2）对于第二类生核剂，它的作用在于使枝晶产生更细的缩颈，其 结果必然导致结晶更易于游离。这种晶粒细化剂之所以使枝晶缩颈更 细，主要是溶质的偏析造成的，在凝固过程中由于溶质在枝晶侧向的 偏析，使此处的过冷度减少，从而使晶体的长大受到抑制而产生细的 缩颈。
3. 动态下晶粒细化：振动、搅拌、铸型旋转等方法。 4. 铸型性质和铸件结构：（1）采用金属型铸造；
（2）减小液态金属与铸型表面的润湿角； （3）提高铸型表面粗糙度。
6. 在 一般情况下希望铸件获得细等轴晶组织，为什 么？怎样才能获得？
等轴晶是在成分过冷区和凝固区域较大的范围内 生长而成的。它的分枝比较发达，晶界夹杂等缺 陷比较分散。且各晶粒取向具有宏观的各向同性， 故其性能比较均匀和稳定。 细等轴晶组织有着较为理 想的综合机械性能，疲 劳强度也随着晶粒的细化而提高。
③ 中心等轴晶区 ：由各向同性的等轴晶粒组成。 等轴晶的尺寸往往比表面细等轴晶区的晶粒 尺寸粗大。
表面细等轴晶的形成机理：非均质形核和大量游离晶 粒提供了表面细等轴晶区的晶核，型壁附近产生较大 过冷而大量生核，这些晶核迅速长大并且互相接触， 从而形成无方向性的表面细等轴晶区。
中间柱状晶的形成机理：柱状晶主要从表面细等轴晶 区形成并发展而来，稳定的凝固壳层一旦形成处在凝 固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下， 便转而以枝晶状延伸生长。由于择优生长，在逐渐淘 汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。